Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Микроволновые методы и системы контроля теплофизических характеристик материалов и изделий. Монография

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

1 / 131 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 > Следующая >>>

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Тамбовский государственный технический университет»

В. Н. ЧЕРНЫШОВ, Т. И. ЧЕРНЫШОВА

МИКРОВОЛНОВЫЕ МЕТОДЫ

И СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ

Рекомендовано Учебно-методическим объединением по образованию

в области радиотехники, электроники, биомедицинской техники

и автоматизации для учебного процесса по направлению

211000 «Конструирование и технология электронных средств»

Тамбов

♦Издательство ФГБОУ ВПО

2015

ТГТУ»♦

УДК 681.5.017:536.2.083 ББК Н300.63-1с Ч-49

Рецензенты:

Доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «ЛГТУ»

А. Н. Шпиганович

Доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «ТГТУ»

Ч-49

Чернышов, В. Н.

Микроволновые методы и системы контроля теплофизи-

еских характеристик материалов и изделий : монография /

. Н. Чернышов, Т. И. Чернышова. – Тамбов : Изд-во ФГБОУ ПО «ТГТУ», 2015. – 124 с. – 100 экз. – ISBN 978-5-8265-1413-9.

ISBN 978-5-8265-1413-9 © Федеральное государственное бюджетное

Посвящена теоретическим и практическим аспектам создания мик-

оволновых методов и реализующих их средств оперативного неразру-

ающего контроля теплофизических характеристик и влажности материа-

ов и готовых изделий при одностороннем доступе к их поверхности.

редставлены физико-математические модели температурных полей исследуемых объектах при бесконтактном одностороннем воздействии на их электромагнитным полем СВЧ-диапазона. Разработаны новые, защи-

ёнными патентами на изобретение методы и реализующие их микропроессорные системы, в которых электромагнитное СВЧ-излучение при оздействии на объекты фокусируется в линию, плоскость или круг заданых размеров специально разработанными оригинальными аппаратными

икроволновыми средствами. Приведён анализ погрешностей созданных етодов и средств на базе аналитических соотношений, полученных

с использованием математических моделей объектов измерений, измери-

ельных процедур и условий измерений.

Предназначена для научных, инженерно-технических работников,

реподавателей вузов, аспирантов, студентов.

А. А. Чуриков

УДК 681.5.017:536.2.083 ББК Н300.63-1с

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО ТГТУ), 2015

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м⋅К);

a – коэффициент температуропроводности, м

с – теплоёмкость, Дж/(кг⋅К), сρ – объёмная теплоёмкость, Дж/(м

T – температура, К; b – коэффициент тепловой активности, Вт⋅с

τ – время, с; Ф – температурный комплекс, К;

K – коэффициент формы исследуемого материала, м x, y, z – пространственные координаты, м; V – объём, м

;

l – длина линии воздействия, м;

– глубина проникновения электромагнитной волны, м;

H – высота исследуемого образца, м; S – площадь торцевых граней исследуемого образца, м q – плотность теплового потока, Вт/м

;

Q – количество теплоты, энергия, Дж; Е – напряжённость электрического поля, В/м; G – проводимость материала, См;

А, β – коэффициенты затухания электромагнитной волны; R, γ – коэффициенты отражения электромагнитной волны;

ε – диэлектрическая проницаемость среды, Ф/м;

– абсолютная магнитная проницаемость среды, Гн/м;

W – влажность исследуемого материала, %;

ρ – плотность, кг/м

;

f – частота излучения, Гц;

– длина электромагнитной волны, создаваемой СВЧ генерато-

ром, м;

Δφ – сдвиг фазы электромагнитной волны, град;

– мощность потерь энергии СВЧ излучения, Вт/м3;

потерь

– истинное значение измеряемой величины в j-м измерительном

эксперименте;

∗

– результат измерения в j-м измерительном эксперименте;

∗

λΔ

– абсолютные погрешности результатов измерений

Δja

коэффициентов тепло- и температуропроводности;

/с;

0,5

/ (м2⋅К);

⋅К);

;

∗

δλ

коэффициентов тепло- и температуропроводности;

M[⋅] – математическое ожидание; σ[⋅] – среднеквадратическое отклонение (СКО);

α, n – 1

α = 0,95 и количестве измерений n;

КБВ – коэффициент бегущей волны; КСВ ТФХ – теплофизические характеристики; ТХК – термопара градуировки хромель-копель; ЭВМ – электронная вычислительная машина; СВЧ – сверхвысокая частота; АО – антенный обтекатель; ОР – объёмный резонатор; РПП – регистр последовательного приближения; ВУ – внешние устройства; ЭДС – электродвижущая сила; НК – неразрушающий контроль; ПИП – первичный измерительный преобразователь; Тп – термопара; ИИС – информационно-измерительная система; ПЗУ – постоянное запоминающее АЦП – аналого-цифровой преобразователь; ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь.

∗

δja – относительные погрешности результатов измерений

– коэффициент Стьюдента при доверительной вероятности

– коэффициент стоячей волны;

устройство;

ВВЕДЕНИЕ

Появление новых, а также широкое применение традиционных строительных материалов, используемых во многих отраслях народного хозяйства, таких как строительство, машиностроение, теплоэнергетика и т.д., требует оперативно и с требуемой точностью определять теплозащитные свойства строительных конструкций и изделий без нарушения их целостности и эксплуатационных характеристик. Поэтому разработка новых методов и средств ТФХ строительных материалов и изделий является актуальной задачей теплофизических измерений и технической диагностики.

В промышленности и строительстве все больший удельный вес приобретают синтезированные материалы, которые по своим технологическим и эксплуатационным параметрам имеют преимущества перед естественными материалами. Совершенствование известных и разработка новых методов, приборов и средств контроля физических свойств материалов и изделий позволит сделать оптимальный выбор синтезируемых материалов при возведении строительных объектов и осуществлять технологический контроль в процессе эксплуатации.

Вместе с тем, одной из наиболее актуальных проблем современного строительства является поиск и создание энергосберегающих мероприятий и инженерных решений, реализующих тепловые и техноло гические процессы с минимальными тепловыми потерями. Ключевую роль в этом играет знание теплофизических свойств используемых и вновь разрабатываемых строительных, теплоизоляционных, облицовочных материалов и изделий. Теплофизические характеристики ограждающих конструкций существенно влияют на тепловой и воздушный режимы строительных сооружений различного назначения, а также функционирование систем отопления, вентиляции и кондиционирования ное количество электрической энергии.

Актуальность задач энергосбережения и снижения потерь теплоты в окружающую среду обусловлена также глобальной проблемой изменения климата и ухудшения экологической ситуации.

Знание теплопроводности, температуропроводности, теплоёмкости и тепловой активности материалов необходимо для оптимального определения технико-экономических показателей и капитальных затрат строительных

воздуха, потребляющих в настоящее время значитель-

сооружений. Кроме того, фактические характери-

оперативного контроля

комплекса тепло-

стики строительных материалов и изделий могут изменяться в процессе эксплуатации и не соответствовать установленным требованиям согласно сертификату или паспорту. Поэтому при вводе в эксплуатацию объектов различного назначения в ходе строительства, при их производстве и функционировании необходимо оперативно и точно определять теплофизические характеристики материалов и изделий. Информация о свойствах новых териалов позволяет понять природу веществ, корректно проводить тепловые расчёты технологических процессов и выбирать наилучшие варианты расчёта и эксплуатации.

Для создания математических моделей и описаний тепловых процессов в физических объектах или исследуемых образцах необходимо определение температурного поля в объекте при различных видах теплового воздействия на вого воздействия, форму нагревателя, условия передачи тепла и проведения эксперимента выбирают таким, чтобы с помощью несложных математических расчётов и зависимостей адекватно описать физику процесса и решить вопросы технической теплофизики [1 – 10].

Все методы и реализующие их измерительные средства и системы можно разделить на тактные. Отличительной особенностью контактных методов контроля теплофизических свойств материалов и изделий является непосредственный контакт источника тепловой энергии и термоприёмников с участком поверхности исследуемого объекта для определения температурного поля в зоне теплового воздействия. При этом подготовка ограниченного плоского участка поверхности изделия, тепловое воздействие и получение измерительной информации в эксперименте не должны вызывать каких-либо изменений, исключающих или ограничивающих целевое назначение исследуемых объектов. Удельный вес контактных методов и средств в общей массе контроля теплофизических характеристик превалирует над бесконтактными, так как они появились раньше в экспериментальной теплофизике. Однако в последнее время отмечается бурный измерительных средств [9 – 18], что объясняется высокой производительностью измерений, дистанционностью и широкими функциональными возможностями их применения по диапазонам и классам исследуемых материалов, меньшей зависимостью результатов контроля от состояния поверхности по сравнению с другими видами контроля, возможностью поточного контроля и управления технологическими процессами, а также расширением

его поверхность. При этом вид и режим тепло-

две большие группы: контактные и бескон-

, синтезируемых и традиционных ма-

рост бесконтактных методов и

номенклатуры, объёма выпуска

и усовершенствованием серийной электроволновой измерительной и теплофизической аппаратуры.

Одними из наиболее прогрессивно развивающихся видов бесконтактных методов являются микроволновые (диэлькометрические) методы контроля свойств материалов и изделий, использующие сверхвысокочастотное (СВЧ) электромагнитное излучение [19 – 22].

Поведение диэлектриков в синусоидальном электромагнитном поле характеризуется макроскопическими величинами диэлектрической и комплексных диэлектрической и магнитной проницаемостей. У материалов ной магнитной проницаемости совпадает с магнитной проницаемостью вакуума и их электрические свойства в слабых переменных электрических полях описываются двумя параметрами, связанными с комплексной диэлектрической проницаемостью. При измерениях используются следующие пары величин:

1) вещественная и мнимая составляющие комплексной диэлек-

трической проницаемости;

2) диэлектрическая

ских потерь;

3) диэлектрическая проницаемость и удельная проводимость

(её активная составляющая).

Современная физика диэлектриков связывает зависимость вышеуказанных пар величин от свойств материала с основным процессом, происходящим в любом реальном диэлектрике под воздействием электрического поля, – поляризацией частиц диэлектрика.

Теория данных методов достаточно хорошо разработана [19, 20, 22], имея

очевидные преимущества:

1) реализация неразрушающего контроля;

2) приемлемая точность измерения;

3) нагрев исследуемого материала происходит равномерно и носит

объёмный характер;

4) требуется значительно меньшее время для проведения экспе-

римента.

В настоящее время не существует микроволновых методов и устройств, позволяющих решить комплекс задач по определению теплофизических характеристик (ТФХ) твёрдых материалов. Успешное применение СВЧ-установок во влагометрии позволяет надеяться на их использование в данной области.

К тому же, известные устройства используют маломощные генераторы СВЧ. Так как для повышения температуры влажного материала весом

G на Δt (°C) нужна выходная мощность Р = 4,186 G С

то для решения задач, поставленных выше, в микроволновой тепло-

, не содержащих ферромагнетиков, величина комплекс-

проницаемость и тангенс угла диэлектриче-

Δt (кВт),

см

технике применяются достаточно мощные, перестраиваемые по частоте генераторы СВЧ: лампы обратной волны типа «О», магнетроны и отчасти – клистронные генераторы.

Как справедливо отмечено в [19]: «…Если мы хотим, чтобы вся имеющаяся СВЧ-энергия попала в диэлектрик, волновое сопротивление диэлектрика должно быть согласовано с волновым сопротивлением доминирующей волны, т.е. не должно быть диэлектрика. Таким образом, задача инженера-практика сводится к достижению наилучшего возможного согласования и сохранению его в процессе нагрева … для инженера-практика наибольший интерес представляют эффективные потери, которые проявляются в виде тепловой энергии, выделяющейся при этих процессах в диэлектрике…». Так, например, в единице объёма ческом поле бегущей волны в нём влажного материала [19]

′′

ωε=

см0потерь

′′

где

– мнимая часть комплексной диэлектрической проницаемости

см

влажного материала;

f – частота, Гц.

V (см

Е (В/см) мощность потерь на нагрев

Таким образом, необходимо разработать микроволновые методы контроля ТФХ строительных материалов и изделий, сущность которых будет состоять в измерении изменяемой температуры фиксированных точек материала при поглощении его локализованным минимальным и индицированным объёмом определённой и фиксированной дозы микроволнового излучения бегущей волны.

Сущность предлагаемых микроволновых методов состоит в использовании

зависимости изменения температуры на поверхностях исследуемого материала от теплофизических характеристик при установлении стационарного теплового потока и поглощении локализованным объёмом исследуемого материала определённой и фиксированной дозы микроволнового излучения бегущей волны.

Анализ показал, что СВЧ-установки в настоящее время широко применяются для контроля различных свойств материалов, что доказывает основные

преимущества использования энергии электромагнитного поля СВЧ-диапазона и подчёркивает необходимость его использования при построении информационно-измерительных систем для контроля ТФХ исследуемых строительных материалов и изделий.

отражения на поверхности

) при однородном электри-

122

−

′′

10556,0 ε

⋅=ε

fEEP

см

1. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СТРОИТЕЛЬНЫХ

МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ

1.1. МИКРОВОЛНОВЫЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ТФХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ

С ОДНОСТОРОННИМ НАГРЕВОМ

В данном разделе представлен разработанный микроволновый

метод контроля ТФХ материалов и изделий с односторонним нагревом

[23, 24].

Исследуемый образец квадратного сечения (параллелепипеда). Теплоизолируют поверхности нижней торцевой и всех боковых граней (теплоизолятор торцевая грань призмы при этом остаётся открытой. Через неизолированную верхнюю грань осуществляют нагрев образца воздействием высокочастотного электромагнитного поля (СВЧ-излучением) от излучающей рупорной антенны генератором

1 (рис. 1.1) выполняют в виде призмы

2) верхняя

3, соединённой волноводом с СВЧ-

п2

Рис. 1.1. Схема метода оперативного контроля ТФХ

с односторонним СВЧ-нагревом

п3

≤τ−τ=

Рис. 1.2. Установление стационарного одномерного теплового потока

В разработанном методе контролируют изменение температуры на поверхности открытой верхней торцевой грани призмы с помощью

оптоволоконного пирометра ную антенну. Температуру на поверхности теплоизолированной нижней торцевой грани призмы контролируют с помощью термопары вмонтированной в изолятор и защищённой экраном неё высокочастотного электромагнитного поля. Контроль температуры окружающей среды осуществляют термопарой

Постепенно увеличивая мощность СВЧ-генератора, контролируют с помощью пирометра на торцевых гранях исследуемого образца в виде призмы и определяют момент, при котором контролируемая в указанных точках образца температура достигнет неизменного установившегося значения

(рис. 1.2).

уст2

В этом случае наступает тепловой баланс между количеством тепла, выделяемого в исследуемом образце при воздействии СВЧизлучения, и количеством тепла, отводимого в окружающую среду через свободную (неизолированную) верхнюю торцевую грань призмы. При этом прекращается разогрев образца, т.е. в образце устанавливается стационарный одномерный тепловой поток. Для установившихся значений температур в контролируемых точках в i-й и

j-й моменты времени выполняются условия (1.1)

⎧ ⎨ ⎩

где

ε = 0,01 °С.

, волновод которого встроен в рупор-

5 от влияния на

п3

и термопары Тп2 изменение температуры

;для,)()(

iii

ε≤τ−τ=Δ

jjj

TTTT

уст11

(1.1)

,для,)()(

TTTT

уст21

уст1

п2

1 / 131 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]